DE3622624A1 - Zahnradangetriebener als kolbenverdichter ausgebildeter luftpresser mit ueberlastkupplung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Nebenantrieb einer Brenn­ kraftmaschine für einen Luftpresser, welcher als Kolbenver­ dichter mit einem in einem Zylinder geführten Kolben aus­ gebildet ist und letzterer über eine Pleuelstange von einer Kurbelwelle angetrieben wird die mit einem Antriebszahnrad in Verbindung steht, welches von der Abtriebswelle der Brennkraftmaschine über Zahnräder angetrieben wird und wobei der Luftpresserantrieb durch eine Überlastkupplung abgesichert ist.

Verbrennungsmotoren, die zum Antrieb von Fahrzeugen mit Druckluft-Bremsanlagen und weiteren druckluftbetätigten Aggregaten, wie z. B. Luftfedern, Druckluft-Schiebetüren (Bus), druckluftbeaufschlagten Startermotoren und Scheiben­ wischern eingesetzt werden, übernehmen im allgemeinen auch den direkten Antrieb der für die Druckluftbeschaffung not­ wendigen Luftpresser. Während der Luftpresserantrieb früher meist durch Keilriemen erfolgte, setzt sich bei modernen Motoren immer mehr der Zahnradantrieb durch, wobei häufig der im Motor ohnehin eingebaute Zahnradantrieb für Steuer- und Einspritzorgane mitverwendet wird. Der Zahnradantrieb hat gegenüber dem Antrieb durch Keilriemen folgende Vorteile:

• - Völlige Wartungsfreiheit, da die (bei Bremsluftverdichtern sogar vom Gesetzgeber vorgeschriebene) Keilriemenwartung durch regelmäßiges, in modernen Fahrzeugen häufig schwer zugängiges und daher teures Nachspannen der Keilriemen und deren Tausch nach Erreichen der Verschleißgrenze entfällt.
• - Keine Leistungsminderung und vorzeitiger Verschleiß durch den Keilriemenschlupf, wie dieser bereits im Nor­ malbetrieb, jedoch besonders bei nachlässiger Wartung auftritt.
• - Gegenüber dem Keilriementrieb einschließlich hierfür be­ nötigter, aufwendiger Keilriemenspann-Einrichtungen, er­ gibt Zahnradantrieb im allgemeinen eine kompaktere Mo­ torbauform mit der Möglichkeit vorteilhafterer Anordnung anderer, motorfester Hilfsaggregate.

Nachteilig gegenüber dem Keilriemenantrieb ist beim Zahn­ radantrieb jedoch, daß auftretende Schäden am Luftpresser selbst mit der Folge eines Blockierens der Luftpresser- Kurbelwelle, z. B. durch Kolbenfresser infolge Überhitzung, teure Folgeschäden am Motor verursachen können, da ja der Zahnradantrieb in den Motor eingreift. Um derartige Schäden auszuschließen, kann der Luftpresserantrieb durch eine Überlastkupplung abgesichert werden. Diese hat die Aufgabe, den Antrieb des Luftpressers beim Auftreten unerlaubt hoher Antriebs-Drehmomente, wie diese als Schadensfolge durch Schwergängigkeit oder Blockieren auftreten können, zu unterbrechen, um so noch größere Schäden des Luftpressers selbst sowie des antreibenden Motors zu unterbinden.

Als Luftpresser haben sich besonders Kolbenverdichter be­ währt. Der Nachteil dieser Bauart besteht in einer sehr großen Ungleichförmigkeit des Antriebs-Drehmomentes, wobei infolge der Rückexpansion der verdichteten Luft nach Erreichen des oberen Totpunktes sogar negative Antriebsmomente auftreten können. Der Summenwert der Amplituden von größtem und kleinstem Antriebsdrehmoment kann dabei mehr als das Zehnfache des mittleren Antriebs-Drehmomentes erreichen.

Wegen der großen Ungleichförmigkeit der Antriebskräfte haben sich daher die für andere Antriebe weit verbreiteten Über­ lastkupplungen, basierend auf dem Prinzip von Sollbruch­ stellen durch Scherbolzen, Scherfedern oder dergleichen, nicht bewährt, da diese nicht völlig frei von Verdreh­ spielen ausgeführt werden können. Derartige einbaubedingte Spiele verstärken jedoch die Ungleichförmigkeit durch schlagende Beanspruchung der das alternierende Drehmoment übertragenden Bauteilflanken. Hierdurch tritt rascher Ver­ schleiß und vorzeitiger Ausfall derartiger Überlast­ kupplungen in Kolbenverdichterantrieben auf.

Es sind auch spielfrei eingebaute Sollbruchstellen aus Werkstoffen geringer Festigkeit einschließlich Kunststoffen bekannt. Diese bersten im Überlastfalle und entkoppeln den Luftpresser. Hierbei können jedoch Bruchstücke in den Motor gelangen, wenn der Luftpresser, wie häufig vorgesehen, in den Motor, d. h. in das Steuerrädergehäuse integriert, ein­ gebaut ist. Nach einem Überlastfalle sind daher Reinigung des Motorinneren und eine teure Instandsetzung nötig. Bei derartigen Vorrichtungen ist auch unsicher, ob ein zeitlich unbegrenzter Notlaufbetrieb bei entkoppeltem Luftpresser möglich ist. Kunststoffe werden ferner durch aggressive Be­ standteile im Motoröl sowie durch deren hohe Betriebs­ temperatur geschädigt, was ebenfalls zu vorzeitigem Aus­ fall im Langzeitbetrieb führen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für einen Luft­ presserantrieb der eingangs genannten Art eine einfache als Überlastkupplung wirkende Vorrichtung zu schaffen, die im Normalbetrieb das alternierende Antriebsdrehmoment durch spielfreie Anlage der in Frage kommenden Bauteile über­ trägt und nach Abschalten des Luftpressers im Überlast­ falle zeitlich unbegrenzten Notlaufbetrieb ermöglicht.

Diese Aufgabe wird bei einem Luftpresserantrieb der gattungsgemäßen Art dadurch gelöst, daß auf dem antriebs­ seitigen Ende der Kurbelwelle ein Ring angeordnet ist, welcher mit Hilfe einer an das Kurbelwellenende ange­ schraubten Nabe des Antriebszahnrades verspannt wird und welcher mit einer Stirnverzahnung versehen ist, die einer geometrisch gleichen Gegenverzahnung auf der zuge­ wandten Stirnfläche des Antriebszahnrades gegenüberliegt, daß mit Hilfe eines entsprechenden dimensionierten bzw. vorgespannten Federnelementes, welches in einen gegenüber der normalen Innenbohrung stärker ausgenommenen Teil der anderen Stirnfläche des Antriebszahnrades eingreift bzw. darauf einwirkt, die Stirnverzahnungen bei Normalbetrieb zur Übertragung des Antriebsdrehmomentes im Eingriff ge­ halten und bei Überlastung des Antriebes durch Umschnappen des Federnelementes entkoppelt werden, und daß nach er­ folgtem Ausrücken der Kupplung das Antriebszahnrad auf der Nabe von dem nun vorspannkraftfreien Federnelement geführt gleitgelagert umläuft.

Durch die Erfindung ist ein sicherer und zeitlich unbe­ grenzter Notlaufbetrieb gewährleistet, da durch die nach dem Ausrücken der Kupplung durch das Federnelement selbst bewirkte axiale Führung des Antriebszahnrades eine uner­ wünschte Kollision der Stirnverzahnungen am Antriebszahn­ rad bzw. Kurbelwellenring nicht eintreten kann. Zwar ist das Wirkprinzip der Überlastkupplung ganz allgemein be­ kannt (vergleiche DE-AS 27 36 329), doch läßt sich bei dieser bekannten Überlastkupplung ein Berühren der Spitzen der Stirnverzahnungen 3 a und 4 a nicht ausschließen, da der dort vorliegende Druckring 4 nach x-förmigen Um­ springen der Tellerfedern 6 und 7 in weiten Grenzen axial frei beweglich wird, zumal der Axialweg der Hülsen 13 und 14 durch die nach dem Ausrücken eintretende Entlastung der Ausrückfeder 12 nur vernachlässigbar gering ist. Auch wenn das Kettenrad 3 eine Axialführung erhielte (in der Fig. 2 nicht gezeigt), könnte sich der Druckring 4 will­ kürlich in Richtung Kettenrad 3 verschieben, wodurch un­ erwünschte Kollision der Axialverzahnungen 3 a und 4 a mit der Gefahr weiterer Folgeschäden eintreten könnte.

Dagegen erlaubt die vorliegende Erfindung einen beliebig langen und auch verschleißfreien Notlaufbetrieb ohne Gefahr einer Kollision der Stirnverzahnungsspitzen.

Vorteilhafte und förderliche Weiterbildungen bzw. zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung lassen sich den Unteran­ sprüchen entnehmen.

Einzelheiten der Erfindung können der nachfolgenden Beschreibung eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Luftpressers mit Überlastkupplung entnommen werden.

In einem Gehäuse 1 (beispielsweise Steuerrädergehäuse der Brenn­ kraftmaschine) mit Deckel 1 a ist das (eine) Ende 2 a einer Kurbelwelle 2 eines Luftpressers in einem Wälzlager 3 gelagert.

An der Stirnseite des Kurbelwellen-Endes 2 a ist eine Nabe 5 befestigt, auf der ein Luftpresser-Antriebszahnrad 4 (welches mit einem nicht gezeigten Zahnrad des Steuerrädergetriebes der Brennkraftmaschine im Eingriff steht) vorgesehen ist. Die Befestigung der Nabe 5 erfolgt über eine Zentralschraube 7.

Kurbelwellenseitig weist die Stirnseite der Nabe 5 am äußeren Teil einen vorstehenden umlaufenden Bund 5 a auf, welcher das Kurbelwellen-Ende 2 a umgreift. Im Anschluß an die Wälzlagerung 3 der Kurbelwelle 2 ist auf dem Wellenende 2 a ein Ring 6 ange­ ordnet, der beim Anschrauben der Nabe 5 (über den Bund 5 a) mit der Kurbelwelle 2 verspannt wird. Der Ring 6 sowie das Antriebszahnrad 4 weisen an ihren einander zugewandten Stirnflächen jeweils eine Verzahnung 8 mit schrägen Flanken auf. Das zwischen Nabe 5 und Zahnrad 4 vorgesehene Spiel s ist unter Berücksichtigung der Lagetoleranz der Stirnverzahnungen 8 so bemessen, daß der Eingriff der Stirnverzahnungen (bei Normalbetrieb) formschlüssig und spielfrei erfolgt, wobei das Zahnrad 4 durch die Stirnver­ zahnung 8 sowohl radial als auch axial fixiert wird.

Im Normalbetrieb stehen also die beiden Stirnverzahnungen 8 im Eingriff, was durch ein auf der entgegengesetzten Seite (entgegengesetzten Stirnfläche) des Antriebszahnrades 4 vorliegendes Federnelement 9 (eine oder mehrere - wie in der Zeichnung dargestellt - in einem Paket zusammengefaßte Tellerfedern) bewirkt wird. Das Tellerfederpaket ist dabei auf einer Verlängerung 7 a des Schraubenkopfes der Zentral­ schraube 7 angeordnet und greift in einen gegenüber der normalen Innenbohrung stärker ausgenommenen Teil 4 a des Antriebszahnrads 4 ein. Die Auslegung der Federcharakteristik und der Einbauvorspannweg werden mit Hilfe eines Druckringes 10 erreicht, welcher über eine Schraube 11 (die in den Kopf der Zentralschraube 7 eingeschraubt wird) auf das Federnpaket 9 wirkt.

Die Anpreßkraft der Tellerfedern 9 sowie die Flankenwinkel der Stirnverzahnungen 8 sind so ausgelegt, daß nur das für den An­ trieb der Luftpresser-Kurbelwelle 2 notwendige Drehmoment, er­ höht um einen Sicherheitszuschlag, übertragen werden kann. Somit können auch die größten Antriebs-Drehmomentspitzen kein "Abheben" der Flanken der Stirnverzahnung 8 bewirken, so daß infolge spielfreier Drehmomentübertragung unerwünschter Ver­ schleiß auch bei langer Laufzeit vermieden wird.

Die Übertragung des Drehmomentes wird durch die Verspannung des Zahnringes 6 - wie vorstehend bereits beschrieben - mit der Kurbelwelle 2 erreicht, wobei das vom Antriebszahnrad 4 in den Zahnring 6 eingeleitete Drehmoment durch Reibschluß übertragen wird.

Sobald im Überlastungsfalle die dosiert vorgespannten Stirnverzahnungen 8 das nun zu große Antriebsmoment nicht mehr übertragen können, erfolgt nach einem zuerst teilweisen Abhub der Stirnverzahnungen 8 ein vollständiges Ausrücken dieser Stirnverzahnungen, bedingt durch Umschnappen der Tellerfedern 9. Das Tellerfederpaket ist so ausgelegt, daß das Ausrücken erst dann eingeleitet wird, sobald der Abhub etwa ein Drittel der Zahnflankenüberdeckung erreicht hat. Die hierbei auftretende Umfangskraft in der Stirnverzahnung 8 erzeugt im Zahnrad 4 eine Axialkomponente, die das Ausrücken einleitet.

In der ausgerückten Stellung wird das Zahnrad 4 durch das Tellerfederpaket 9 mit Hilfe eines Sicherungsringes 12 (im Teil 4 a eingebracht) außerhalb des Eingriffes der Stirn­ verzahnung 8 vorspannungsfrei geführt, wobei es auf der über Bohrungen 13 und 14 und eine verteilende Nut 15 mit Drucköl versorgten und somit geschmierten Oberfläche der Nabe 5 gleit­ gelagert umläuft, während die Nabe 5 mit der durch die Überlast blockierten Kurbelwelle 2 stillsteht.

Durch die Axialführung des Zahnrades 4 (direkt durch die ausgerückte Tellerfeder 9 selbst) nach erfolgtem Ausrücken der Stirnverzahnung 8, ergibt sich der große Vorteil, daß ein beliebig langer Betrieb (Notlaufbetrieb) ohne Gefahr einer Kollision der Stirnverzahnungspitzen nach dem Ausrücken der Kupplung gesichert ist.

Es ist noch zu erwähnen, daß in der Zeichnung im oberen Teil das Tellerfederpaket bzw. das Zahnrad 4 im eingerückten Zustand und im unteren Teil im ausgerückten Zustand dargestellt sind. Auch können zusätzlich zu der Druckölschmierung die Flankenoberflächen der Stirnver­ zahnungen 8 bzw. die Laufflächen der Nabe 5 bzw. des Zahnrades 4 zur Erzielung eines hohen Verschleißwider­ standes noch vergütet werden. Dies führt zu einer weiteren Verbesserung des Langzeitbetriebs bzw. der Gleiteigenschaften.

Claims (7)

1. Nebenantrieb einer Brennkraftmaschine für einen Luft­ presser, welcher als Kolbenverdichter mit einem in einem Zylinder geführten Kolben ausgebildet ist und letzterer über eine Pleuelstange von einer Kurbelwelle angetrieben wird, die mit einem Antriebszahnrad in Verbindung steht, welches von der Abtriebswelle der Brennkraftmaschine über Zahnräder angetrieben wird und wobei der Luftpresseran­ trieb durch eine Überlastkupplung abgesichert ist, da­ durch gekennzeichnet, daß auf dem antriebsseitigen Ende der Kurbelwelle (2) ein Ring (6) angeordnet ist, welcher mit Hilfe einer an das Kurbelwellenende angeschraubten Nabe (5) des Antriebszahnrades (4) verspannt wird und welcher mit einer Stirnverzahnung (8) versehen ist, die einer geometrisch gleichen Gegenverzahnung (8) auf der zugewandten Stirnfläche des Antriebszahnrades (4) gegen­ überliegt, daß mit Hilfe eines entsprechend dimensionierten bzw. vorgespannten Federnelementes (9), welches in einen gegenüber der normalen Innenbohrung stärker ausgenommenen Teil (4 a) der anderen Stirnfläche des Antriebszahnrades (4) eingreift bzw. darauf einwirkt, die Stirnverzahnungen (8) bei Normalbetrieb zur Übertragung des Antriebsdrehmomentes im Eingriff gehalten und bei Überlastung des Antriebes durch Umschnappen des Federnelementes (9) entkoppelt werden, und daß nach erfolgtem Ausrücken der Kupplung das Antriebszahnrad (4) auf der Nabe (5) von dem nun vor­ spannkraftfreien Federnelement (9) geführt gleitgelagert umläuft.

2. Nebenantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschraubung der Nabe (5) mit dem Kurbelwellenende mit Hilfe einer Zentralschraube (7) erfolgt, wobei auf einer Verlängerung (7 a) des Schraubenkopfes der Zentral­ schraube (7) das Federnelement (9) angeordnet ist.

3. Nebenantrieb nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Federnelement (9) eine oder mehrere in einem Paket zusammengefaßte Tellerfedern verwendet werden.

4. Nebenantrieb nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Vorspannung (Einbauvorspannweg) des Federnelementes (9) mit Hilfe eines Druckringes (10) über eine Schraube (11) festgelegt wird, wobei die Schraube (11) in die Verlängerung (7 a) des Schraubenkopfes der Zentral­ schraube (7) eingreift.

5. Nebenantrieb nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im Teil (4 a) des Antriebszahnrades (4) ein Sicherungsring (12) für das Federnelement (9) vorliegt.

6. Nebenantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung guter Gleiteigenschaften die Laufflächen auf der Nabe (5) und dem Zahnrad (4) entsprechend vergütet sowie über Bohrungen (13, 14) und einer verteilenden Nut (15) in der Nabe (5) bzw. der Kurbelwelle (2) druckölgeschmiert sind.

7. Nebenantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Nabe (5) und Antriebszahnrad (4) ein bestimmtes Spiel (s) vorliegt, welches derart bemessen ist, daß der Eingriff der Stirnverzahnungen (8) formschlüssig und spiel­ frei erfolgt, wobei das Zahnrad (4) durch die Stirnver­ zahnung (8) sowohl radial als auch axial fixiert wird.